基于智能變電站技術(shù)的集中式 微電網(wǎng)能量管理和穩(wěn)定控制系統(tǒng)

黃曼青 李 峰 蔣成杰

（南京磐能電力科技股份有限公司，南京 210032）

目前，微電網(wǎng)已成為解決電力系統(tǒng)眾多問題的一個重要手段。各國都依據(jù)本國電力系統(tǒng)實際問題提出了各自的微電網(wǎng)概念和發(fā)展目標。世界各國的能源發(fā)展動因不同，對微電網(wǎng)的研究側(cè)重點各異。在中國，發(fā)展微電網(wǎng)的最大動力是充分利用可再生能源滿足未來能源多元需求，最大化接納可再生分布式能源，從而促進綠色能源的高效利用，提高能效。

智能微網(wǎng)系統(tǒng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)負荷和監(jiān)控、保護裝置匯集而成的小型智能的發(fā)配電系統(tǒng)，是一個能夠?qū)崿F(xiàn)自我控制、保護和管理的自治系統(tǒng)，既可以與外部電網(wǎng)并網(wǎng)運行，也可以孤立運行。本文介紹的DMP7600微電網(wǎng)能量管理和穩(wěn)定控制系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）遵循“清潔、高效、自治、安全”的思想和總體技術(shù)標準，全面覆蓋微電網(wǎng)的監(jiān)控、保護、運行控制等技術(shù)領(lǐng)域，旨在根據(jù)用戶的需求，提供全方位的微電網(wǎng)技術(shù)服務。該系統(tǒng)既可以用于智能微電網(wǎng)領(lǐng)域，實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)能量的管理與調(diào)度，也適用于分布式發(fā)電的能源管理平臺，提高了分布式風能、光伏發(fā)電的穩(wěn)定性及運行效率，實現(xiàn)了高效、穩(wěn)定運用新能源的設計理念，該系統(tǒng)已經(jīng)在海島投入運行。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)基于IEC61850 架構(gòu)，對微電網(wǎng)系統(tǒng)模型、二次功能模型進行描述，對應用與通信技術(shù)進行分層處理，由過程層、間隔層、站控層3 個層次構(gòu)成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 過程層

系統(tǒng)過程層設備即合并單元（合并單元和智能單元一體設備）按系統(tǒng)內(nèi)一次設備配置，就地加裝在主變、斷路器、分布式發(fā)電設備、儲能設備等處，采集現(xiàn)場數(shù)字通過點對點光纖光纖網(wǎng)上送交換服務器，單臺交換服務器滿足接入45 臺合并單元的數(shù)據(jù)處理要求，交換服務器集成全站數(shù)據(jù)信息后通過工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)分布式采集數(shù)據(jù)到間隔層裝置---微電網(wǎng)中央控制器的通訊傳輸，同時合并單元接收中央控制器控制命令實現(xiàn)對風機、光伏、儲能等設備的監(jiān)測和控制。

為了提高過程層通信的可靠性，過程層設備合并單元通過光纖A、B 雙網(wǎng)和交換服務器A、B 進行數(shù)據(jù)交換，交換服務器A、B 則由完全獨立的工業(yè)以太網(wǎng)絡和間隔層設備通信，光纖網(wǎng)絡A 和B 發(fā)送的間隔信息完全相同，避免一套系統(tǒng)故障導致的全系統(tǒng)失去保護和控制功能。

DMP7600 微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)配置一個全局同步裝置---GPS時鐘服務器，GPS時鐘服務器按照12800 次/s 要求等間隔地產(chǎn)生同步信號，并傳遞給一個或多個交換服務器，交換服務器根據(jù)鏈路長度產(chǎn)生新的同步信號啟動合并單元的數(shù)據(jù)采集。正常運行時，交換服務器A 和B分別接收來自GPS時鐘服務器的同步信號，保證與GPS 信號的同步；當GPS 同步信號故障時，交換服務器之間通過同步光纖控制，保證交換服務器A 和交換服務器B 的同步，因此，連接在光纖雙網(wǎng)的所有合并單元實現(xiàn)了高精度數(shù)據(jù)同步采樣（同步誤差小于200ns）。

1.2 間隔層

間隔層具有測量、控制元件和繼電保護元件。測量、控制元件負責該間隔的測量、監(jiān)視、斷路器的操作控制和電氣聯(lián)鎖，以及時間順序記錄等，保護元件負責該間隔線路、變壓器等設備的保護、故障記錄等。

間隔層設備與過程層設備之間、間隔層設備之間取消常規(guī)變電站硬接點信號交互的方式，變?yōu)榛贗EC61850 標準的對等通信模式，也就是，A、B間隔層微電網(wǎng)中央控制器通過各自的以太網(wǎng)絡從過程層獲取模擬量、開關(guān)量和其他設備的實時數(shù)據(jù)信息，經(jīng)邏輯判斷和相關(guān)電氣聯(lián)鎖判斷后，發(fā)出各自的控制命令。中央控制器A 接收光纖A 網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，中央控制器B 則接收光纖B 網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)，過程層設備按“或”邏輯實現(xiàn)兩臺中央控制器的控制；任一臺中央控制器故障時，及時告警，退出運行，不影響整個系統(tǒng)。

間隔層同時可選配：

（1）集成電度計量裝置，利用過程層傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)，采用插值法（1024 點）進行時域積分，實現(xiàn)全站各間隔的電能計量，其精度達到0.5 級。

（2）全系統(tǒng)故障錄波器，根據(jù)多種起動條件，記錄全系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)， 波形文件為標準COMTRADE 格式。

1.3 站控層

站控層采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，完成系統(tǒng)內(nèi)間隔層設備、一次設備的控制及與遠方控制中心、工程師站、操作員站及人機界面通信的功能，也可經(jīng)過協(xié)議轉(zhuǎn)換設備與第三方裝置進行數(shù)據(jù)交換。

站控層設備跨硬件平臺（HP、IBM、SUN、X86等）、跨操作系統(tǒng)平臺（HP-UNIX，AIX-UNIX，Solaris-UNIX，Linux，Windows 等），支持異構(gòu)操作系統(tǒng)混合配置，具有良好的開放性和可擴展性，方便進行功能擴展以及功能升級。

圖2 主控室內(nèi)A、B 控制屏和綜合屏

2 系統(tǒng)功能

間隔層設備通過交換服務器獲取到了全系統(tǒng)精確同步采樣的全景數(shù)據(jù)，并且能實時控制接入到系統(tǒng)內(nèi)的各裝置、設備。在間隔層設備上，根據(jù)對象的類型性質(zhì)配置所需的保護、測量、控制、故障錄波等模塊，實現(xiàn)微電網(wǎng)全系統(tǒng)所需的功能。

2.1 保護、自動裝置功能（見表1）

2.2 測控功能（見表2）

2.3 微網(wǎng)能量管理和穩(wěn)定控制功能（見表3）

2.4 全系統(tǒng)故障錄波功能

表1

表2

表3

間隔層設備提供兩種故障錄波的實現(xiàn)方式：

1）微電網(wǎng)中央控制器：當系統(tǒng)運行異常或故障時啟動全系統(tǒng)故障錄波。

2）故障錄波器（選配）：同時采集兩臺交換服務器的數(shù)據(jù)，當系統(tǒng)運行異常或故障、開關(guān)變位、量值突變、能量管理系統(tǒng)下發(fā)控制調(diào)節(jié)指令等時，長時間記錄系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)。

以上兩種方式均生成標準的 COMTRADE 格式，并提供波形分析軟件。

2.5 電度計量功能（選配）

間隔層設備集成電度計量裝置上通過配置電度計量模塊，可實現(xiàn)全系統(tǒng)四象限峰、平、谷的電度計量，并可通過串口輸出DL645 規(guī)約格式的報文，精度為0.5 級。

2.6 當?shù)乇O(jiān)控功能（站控層）

基本功能：數(shù)據(jù)采集與處理、控制功能、通用計算、強人機界面功能、操作管理、報警及事件處理、數(shù)據(jù)查詢服務工具、掛牌操作、集控功能、可視化顯示、圖形編輯功能、數(shù)據(jù)庫編輯軟件、事件及事故報警處理、歷史斷面回顯及事故追憶(PDR)、安全子系統(tǒng)、設備管理、監(jiān)視功能、報表功能、數(shù)據(jù)的備份功能、可視化數(shù)據(jù)庫模式編輯、饋線自動化、WEB 數(shù)據(jù)整合和安全發(fā)布、配電工作管理、智能操作票系統(tǒng)等。

3 系統(tǒng)特點

3.1 全系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享

微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)采用分布式采集、集中式處理的系統(tǒng)解決方案，所有模擬量的采集和一次設備的操作都是就地實現(xiàn)，數(shù)據(jù)在交換服務器匯總并在網(wǎng)絡上實時發(fā)布，實現(xiàn)全系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享及全網(wǎng)故障錄波。

3.2 可靠性

過程層與間隔層的通信網(wǎng)絡全部采用光纖介質(zhì)，無電磁兼容性問題。站控層的通信采用雙以太網(wǎng)，能自動平衡網(wǎng)絡負載，實現(xiàn)功能及網(wǎng)絡的冗余，保證任何單一故障不引起重要功能的損失。所有裝置無需外加抗干擾措施，其電磁兼容性均可達到IEC61000-4 標準規(guī)定的最高等級。過程層與間隔層裝置的工作溫度范圍為-40℃～85℃，滿足戶外工作的要求。

3.3 安全性

1）信息安全性

過程層與間隔層、協(xié)調(diào)控制與間隔層和站控層三層之間及三層內(nèi)部的信息交換采用嚴格的CRC校驗措施，防止由于數(shù)據(jù)傳輸錯誤導致的裝置誤動作。交換服務器對來自間隔層的網(wǎng)絡控制報文進行分析，過濾任何未經(jīng)授權(quán)的網(wǎng)絡訪問，硬件實現(xiàn)的網(wǎng)絡防火墻既保證安全又不影響系統(tǒng)實時性。

2）設備安全性

協(xié)調(diào)控制與間隔層設備采用虛擬存儲管理和嚴格的存儲隔離技術(shù)，應用程序和配置文件分類存放、互不影響。協(xié)調(diào)控制與間隔層設備為各種保護、測控功能的配置、定值、變量和程序等存儲空間配備了完善的自檢措施，當內(nèi)存出錯時做出相應的保護處理。過程層與間隔層合并單元實時監(jiān)測模擬量、開入量、開出量和狀態(tài)信息，一旦發(fā)生電源失電、通信中斷等故障立刻報警。

3.4 實時性

滿足微電網(wǎng)全網(wǎng)數(shù)據(jù)同步采樣的要求，同步精度達到納秒級。獨創(chuàng)的鏈路補償技術(shù)，保證數(shù)據(jù)同步傳輸不受距離的影響，可滿足2～2000m 的數(shù)據(jù)交換和對時的要求。中央控制器采用搶先式硬實時多任務操作系統(tǒng)，對高優(yōu)先級突發(fā)任務的響應時間達到微秒級；應用軟件具備完善的異步事件觸發(fā)響應機制，保證了上行運行信息和下行控制命令都能在2 個采樣間隔內(nèi)完成，因此，就地合并單元和中央控制器之間的數(shù)據(jù)交換就能在在320μs 之內(nèi)實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)的現(xiàn)場運行

長島分布式發(fā)電及微電網(wǎng)接入控制示范工程位于長島縣砣磯島內(nèi)。目前，砣磯島內(nèi)電源為大唐聯(lián)凱 12MW 風電場、柴油發(fā)電機，島內(nèi)平均負荷500kW，主要依靠長島電網(wǎng)供電。

在本期工程中能量管理系統(tǒng)主要包括儲能電池（電容）、并網(wǎng)變流裝置、并網(wǎng)接入裝置、以及相關(guān)監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)將與柴油發(fā)電機系統(tǒng)、風電、光伏、配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)以及微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合，在砣磯島內(nèi)建立完整的微電網(wǎng)運行、監(jiān)控系統(tǒng)，為整個砣磯島提供滿足國家相關(guān)標準的電力需求，實現(xiàn)砣磯島微電網(wǎng)在并網(wǎng)及孤島狀態(tài)下的安全穩(wěn)定運行，保障島內(nèi)工業(yè)、居民、海產(chǎn)養(yǎng)殖以及軍事設施的持續(xù)性供電。集裝箱式混合儲能電站主要用于砣磯島電網(wǎng)在并網(wǎng)/孤島兩種運行狀態(tài)下的平滑切換，平滑風光功率輸出；此外，還將具備暫態(tài)有功出力緊急響應、暫態(tài)電壓緊急支撐功能。

本項目通過進行混合儲能系統(tǒng)、柴油發(fā)電機、風電機組改造等分布式電源建設，同時進行低壓配網(wǎng)智能負荷控制，并通過微電網(wǎng)的保護和控制、能量優(yōu)化管理、后臺運行監(jiān)控等實現(xiàn)砣磯島供電系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定、經(jīng)濟的供電；建設微電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、運行監(jiān)控、穩(wěn)定運行控制、能量管理、遠程監(jiān)控等內(nèi)容，支撐整個砣磯島供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、優(yōu)化運行。

圖3 合并單元配置圖

圖4 保護和控制模塊配置圖

圖5 可視化非計劃并轉(zhuǎn)孤過程報文

圖6 PCC 開關(guān)跳閘，PCS 做主電源的并轉(zhuǎn)孤波形圖

5 結(jié)論

DMP7600 集中式微電網(wǎng)能量管理和穩(wěn)定控制系統(tǒng)通過了動模試驗和實際現(xiàn)場運行，系統(tǒng)全面覆蓋微電網(wǎng)的保護、運行控制、監(jiān)控等技術(shù)領(lǐng)域，為微電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、高效運行提供了高可靠性的解決方案。

[1] 王成山,李鵬.分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(2):10-14.

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